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原子力显微镜概述

图1. Binnig,Quate和Gerber论文的第一个原子力显微镜系统的实验装置(Phys.Rev.Lett.56,930(1986))。

尽管扫描隧道显微镜取得了巨大的成功,但显然STM具有根本的缺点-使用STM只能研究涂覆有导电层或导电层的样品。

由于Binnig [ 1 ] 发明了原子力显微镜,克服了这一缺点。他是第一个猜想的人,在与样品表面相互作用的情况下,带有尖锐尖端的宏观悬臂可以被原子力弯曲到足够大的量,可以用常规设备进行测量。在第一个实施例中,使用STM测量尖端位移(见图1)[ 2 ]。

图2.专利“原子力显微镜”(US RE37,299)的原子力显微镜示意图。

对于悬臂弯曲的对准,使用了许多方法,但是目前最有用和广泛使用的是Amer和Meyer发明的方法(见图2)[ 3 ]。根据他们的说法,原子力显微镜包括安装在微机械悬臂上的尖端。当尖端扫描要检查的表面时,尖端与样品表面之间的原子间力会引起尖端的位移和悬臂的相应弯曲。

激光束传输到悬臂并从悬臂反射以测量悬臂的方向。反射的激光束由位置敏感检测器(最好是Bicell)检测。Bicell的输出提供给计算机,用于处理数据,以提供具有原子分辨率的表面拓扑图像。

当前使用的位置敏感检测器为四部分,不仅可以测量纵向弯曲,还可以测量扭转弯曲。

悬臂不仅可以在尖端样品表面相互作用下的直接接触力弯曲,还可以通过范德华力,磁,电等远距离力弯曲。悬臂可以在扫描时振动,这是Binnig首次提出的[ 1 ]。 。振动可直接使尖端与样品表面接触,而在振动下不会接触表面,而在振动下会间歇接触(半接触)。扫描可以多次通过,每一次通过可以提供有关被调查样品的更多信息。

所有这些能力都会产生许多SFM操作的技术和模式。下面我们将考虑各种直流和交流接触,半接触,非接触和多次通过技术和模式

References

1. US Pat. 4724318. 

2. Phys.Rev.Lett.56,1986,930-933. 

3. US Pat. RE37,299 (Reissued Pat. No. 5,144,833).